CyP - Logran medir un análogo clásico del efecto C asimir

Un equipo alemán logra medir la “fuerza Casimir crítica” en una
disolución acuosa, que es un análogo clásico al efecto Casimir
habitual basado en las fluctuaciones cuánticas del vacío.

El vacío no es la nada. El vacío tiene propiedades y éstas pueden
ejercer su influencia. Si colocamos muy próximas dos placas metálicas
en el vacío aparece una fuerza que tiende a juntarlas, es el efecto
Casimir. En realidad este efecto es minúsculo, si no lo fuera sería
incluso concebible extraer energía del vacío. Sin embargo este efecto
puede resultar un engorro si estamos trabajando con dispositivos
nanomecánicos. Una maquinaría cuyos componentes sean del orden del
nanometro puede atascarse debido a este tipo de efectos.
Ahora científicos del Instituto Max Planck y de la Universidad de
Stuttgart han conseguido observar una fuerza similar, de carácter
clásico y predicha hace décadas, en una mezcla de dos líquidos. Además
han encontrado una manera de invertir el efecto de la fuerza de tal
modo que las futuras nanomáquinas no se bloqueen, permitiendo una
mayor miniaturización.

La fuerza que hace que las dos placas se vean atraídas en el efecto
Casimir proviene de un efecto mecánico cuántico. El vacío en mecánica
cuántica no es un espacio-tiempo vacío de todo. En él hay partículas
virtuales, fluctuaciones del vacío, que se crean y destruyen en una
fracción de segundo. Estas fluctuaciones pueden ser de naturaleza
electromagnética y pueden interaccionar con las placas. El espacio
comprendido entre las placas contiene pocas fluctuaciones
electromagnéticas comparadas con el resto del espacio y éstas últimas
consiguen empujar las placas debido a que la presión de radiación de
las del interior es menor. En el lenguaje de la Física no todos los
modos de vibración están permitidos en el interior, y sólo las
oscilaciones resonantes cuyos múltiplos longitud de onda encajan en la
distancia interplaca sobreviven, suprimiéndose las frecuencias no
resonantes.
Hendrik Casimir predijo el efecto en 1948 y por eso el efecto lleva su
nombre. Este efecto es la razón por la cual los componentes de las
nanomáquinas se adhieran los unos a los otros.

Clemens Bechinger, profesor en la Universidad de Stuttgard, y sus
colaboradores observaron una fuerza similar al efecto Casimir en
experimentos en los que se mezclaba aceite (lutidina) y agua. La nueva
fuerza, denominada fuerza Casimir crítica, es muy débil y, por tanto,
difícil de detectar. Aun así, los resultados concuerdan muy bien con
los valores que Siegfried Dietrich y su equipo del Max Planck
predijeron.
La fuerza Casimir crítica toma su nombre del hecho de que se da cerca
del punto crítico. A bajas temperaturas la mezcla de agua y lutidina
forma una disolución. Sin embargo si la disolución es calentada hasta
los 34 grados centígrados se transforma en dos mezclas separadas o
fases: una con alto contenido en agua (fase acuosa) y otra con alto
contenido en lutidina (fase aceitosa).

La temperatura a la que sucede esto se denomina temperatura crítica.
Las dos fases no aparecen de manera abrupta como sucede en otras
ocasiones (como el hielo a partir del agua) al alcanzar esa
temperatura. Por debajo de la temperatura crítica aparecen en la
disolución regiones fluctuantes en las que hay más cantidad de uno de
los componentes. Conforme la temperatura se acerca al punto crítico
las áreas fluctuantes crecen y crecen permaneciendo estables. La
manera en la que la concentración de agua y lutidina fluctúa es
similar a las fluctuaciones mecánico cuánticas del vacío. Los
investigadores han demostrado que estas fluctuaciones en la
concentración deben de crear una atracción entre las superficies de
una manera similar a como lo hacen las fluctuaciones mecánico
cuánticas electromagnéticas del vacío en el efecto Casimir habitual.

Consiguieron observar una esfera de plástico de una micra de diámetro
flotando en un vaso de vidrio con la mezcla de agua y lutidina. Al
principio la temperatura estaba muy por debajo de la crítica. Luego
iban calentando el líquido de manera gradual hasta que a 0,2 grados
centígrados de la temperatura crítica la esfera se movió hacia la
superficie de vidrio.

Para determinar la distancia entre la esfera y la superficie vidrio
usaron óptica de campo evanescente. Iluminaron el vidrio con un haz de
luz orientado de tal modo que se producía reflexión total. De este
modo sólo una pequeña parte del haz de luz entraba en el líquido en
una región muy cercana a la superficie. Un objeto (en este caso la
esfera) dentro de esa región difunde más o menos la luz dependiendo de
lo cerca o lejos que se encuentre de la superficie.

Consiguieron medir la distancia entre la esfera y la superficie de
vidrio y calcular la fuerza implicada. Debido a las constantes
colisiones entre la esfera y las moléculas del líquido la trayectoria
de la esfera es errática, el efecto de la fuerza de Casimir crítica
era una contribución neta hacía la superficie, manifestándose como un
efecto estadístico.

Según los investigadores, este método es varios miles de veces más
sensible que un microscopio de fuerza atómica. En este caso la fuerza
de Casimir crítica medida es del orden de 600 femtonewtons, o lo que
es lo mismo: menos de una millonésima del peso de una pulga. Este
efecto fue predicho en 1978, pero hasta ahora no se tenía una técnica
lo suficientemente sensible que permitiera medirlo. Los resultados han
sido justo los que el cálculo teórico había predicho.

La atracción se da sólo cuando tanto la superficie de la esfera como
la del vaso son o bien hidrófilas (atraen el agua y repelen el aceite)
o bien hidrófugas (repelen el agua y atraen el aceite). Si una de las
superficies es distinta naturaleza a la otra en este aspecto, se
produce una repulsión en lugar de la atracción. En este caso se
producen a cada lado regiones fluctuantes de distinto signo (fases
aceitosa y acuosa) , y como se necesita energía para hacer contacto
entre las fase acuosa de la aceitosa, la esfera es repelida de la
superficie.

Los investigadores esperan que este resultado ayude al buen
funcionamiento de las nanomáquinas. Quizás algunas de estas máquinas
se empleen en medicina en un futuro.
Sin embargo, una de las razones por las que estos dispositivos no
funcionan se debe al efecto Casimir cuántico habitual debido a las
fluctuaciones cuánticas del vacío. Pero si alguna de estas máquinas
tiene que trabajar en una mezcla de líquidos en lugar de en el vacío,
se podría recubrir sus componentes con moléculas hidrófilas o
hidrófugas para hacer que funcionara mejor.

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